包括用于多向性检验的正交涡流探测器的涡流系统

摘要

公开了一种包括用于多向性检验的正交涡流探测器的涡流系统，该正交涡流探测器具有至少三个线圈，其中，各线圈卷绕在诸如六边形芯等的至少六边的正多边形棱柱的两个相对的边上。在各时间间隔，至少两个线圈用作驱动线圈并且一个线圈用作接收线圈，其中，利用以相一致的方向驱动的电流同时对驱动线圈进行充电以感应出合成涡流，接收线圈用以感测该合成涡流，且该合成涡流与接收线圈正交。在一个接一个的时间间隔内，各线圈按预定切换序列以预定切换频率轮流作为驱动线圈之一或作为接收线圈。所公开的涡流探测器具有利用一遍扫描检验测试表面上任何裂纹方位的裂纹的优点，从而在所有方向上提供了充分的灵敏度和令人满意的噪声消除。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无损测试和检验系统(NDT/NDI)，尤其涉 及涡流(eddy current，EC)技术和具有多向灵敏能力的涡流探测 器。

背景技术

涡流检验通常用于无损检验目的，以检测用于汽车、航空 和能源等的许多行业的诸如棒、管以及其它组件等的由导电材 料制成的制成品的表面的裂纹。所使用的涡流探测器可以有多 种结构和/或感应感测模式。

使用最广泛的EC探测器结构之一是发送-接收结构。这种 结构通常包括驱动线圈和接收线圈。对于这种结构，向EC探测 器的驱动线圈提供用以产生交流电磁场的交流电激励信号，从 而当探测器沿着在测试对象的测试表面上方的路径移动时，在 该测试表面上产生磁场。该磁场在由导电材料制成的测试对象 的表面及其附近感应出涡流。这些涡流在测试表面及其附近产 生电磁信号或响应，由接收线圈接收该电磁信号或响应并且由 EC设备/系统进行进一步分析。当涡流探测器通过测试对象的 例如裂纹或不连续处等的异常的上方时，所述异常将干扰涡流 并且产生与从正常对象接收到的信号相比较而言不规则或未知 样式的接收信号。信号的偏差被用来表示异常。利用获取和分 析单元来检测接收器的读数的变化。

通常，发送-接收式涡流探测器呈现“灵敏方向”，这表示这 些EC探测器仅能有效检测与作为驱动器-接收器轴的“灵敏方 向”大致对准的裂纹。然而，许多测试对象包括复杂的表面，其 中一些复杂的表面是由于产生复杂的应力模式的复杂的制造工 艺所导致的。应力区域易于形成方位随机且未必与探测器的灵 敏方向对准的裂纹。

如果裂纹的方位略微不同于探测器的灵敏方向，则检测该 裂纹的灵敏度将比检测与探测器对准的相同裂纹的灵敏度低。 例如，0度裂纹检测专用的发送-接收式探测器能够检测+/-20度 的裂纹，只是在+/-20度的外边界处的信号幅值极小。结果，与 方位略微不同于探测器的灵敏方向的深裂纹相比，可以以较强 的信号来检测与探测器的最灵敏方位完全对准的浅裂纹。

通常，利用裂纹的估计深度来定义裂纹的重心。如广泛实 践的，决定是接受还是拒绝被测试的对象依赖于裂纹的估计深 度。如果对裂纹的读数大于可接受极限，则拒绝该对象。然而， 如果预料有一个以上的裂纹方向，并且对裂纹的读数勉强满足 可接受极限或者在可接受极限内，则用户不得不决定：1)既然 由于裂纹未对准灵敏方向而使得读数没有示出裂纹的实际深 度，因此接受可能应该拒绝的测试对象；或者2)假定真实深度 大于测量出的深度，因此拒绝可能应该接受的对象。第三种选 项是重复扫描该组件从而以不同的方位检测该裂纹，但重复扫 描使得该处理费时又费力。

已知具有两个灵敏方向的特殊类型的发送-接收式涡流探 测器作为“正交探测器”。该探测器配置有彼此正交地卷绕到非 导电性立方体或十字形芯上的两个线圈。这两个线圈中的一个 线圈是“驱动器”，其用于在测试表面上感应出涡流，并且另一 线圈是“接收器”，其用于感测测试表面上的感应涡流。该正交 探测器的重要方面在于以下事实：彼此正交的驱动器和接收器 使驱动磁场从接收器解耦，由此降低了接收器对不表示裂纹的 表面噪声的灵敏度。

美国专利3,495,166通过引用而被包含在此，以作为与这里 所述的正交EC探测器有关的背景技术的例子。

根据背景技术的重要特征，正交EC探测器包括利用检测部 件来感测在两个区域中由EC所产生的场的场感测部件，其中， 这两个区域相对于零件表面具有大致相同的空间关系且这两个 区域之间的角度大，以及该检测部件用于检测在这两个区域中 产生的场之间的差异。应当注意，场感测部件的感测区域与场 产生部件的发射磁场区域正交。因此，在没有缺陷将干扰由场 产生部件所施加的EC流的方向的情况下，由该EC流而引起的磁 场也将与场感测部件正交，由此感测不到该磁场。利用该配置， 针对相对于感测区域的不同方位处的裂纹获得了高度灵敏度， 而对于a)电导率(conductivity)的变化、b)磁导率(permeability) 的变化、c)不规则的表面抛光的变化以及d)零件间距的变化不 灵敏。该不灵敏源于以下事实：属性a、b、c和d主要影响EC流 的大小和由此产生的磁场，而不影响方向。

因此，可以看出，通过不同的感应模式来使用正交探测器 使得可以检验方位为0度、+/-45度、+/-90度的裂纹，并且令人 满意地对诸如电导率、磁导率等的噪声不灵敏。然而，该设计 仍不足以对约360度的任何裂纹方位处的裂纹提供扫描灵敏度。

不能检测或不能精确检测所有方位处的裂纹，这会妨碍任 何涡流系统实现较高的性能并且引发安全问题。重复扫描具有 使效率降低且使成本效益下降的缺点。

发明内容

这里公开的本发明解决了与使用涡流系统来有效检测所有 方位处的裂纹这一努力有关的问题，而现有的发送-接收式正交 探测器存在前述的诸如不能检验或不能精确检验所有裂纹方位 处的裂纹等的缺陷。

注意，这里使用的术语“探测器”、“变换器”和“传感器”可 互换使用。这里使用的“发射器”、“驱动器”和“驱动线圈”可互 换使用。这里使用的“接收器”和“感测线圈”可互换使用。

因此，本发明的总体目的是提供一种多向性涡流探测器， 该多向性涡流探测器可以通过对测试对象进行一遍扫描来有效 地检测多个方向的裂纹。

另外，另一目的是提供一种多向性涡流探测器，该多向性 涡流探测器能够利用在几乎所有方向上均足够的EC信号幅值 来检测任何方位处的裂纹。

又一目的是提供一种多向性涡流探测器，该多向性涡流探 测器不仅能够检验所有方位处的裂纹，还继承了现有的正交EC 探测器的优点，具有令人满意的噪声消除并且对电导率的变化、 磁导率的变化、不规则的表面抛光的变化以及零件间距的变化 不灵敏。

再一目的是提供一种涡流探测器，该涡流探测器不仅能够 提供与裂纹大小和深度有关的信息，而且还能够提供与裂纹方 位有关的信息。

改进的正交涡流探测器包括至少三个线圈；各个线圈卷绕 在诸如六边形芯等的至少六个边的正多边形棱柱的两个相对边 上。在各时间间隔，这些线圈中的两个线圈用作驱动线圈且这 些线圈中的一个线圈用作接收线圈，其中，利用以相一致的方 向驱动的电流同时对所述驱动线圈进行充电以感应出合成涡 流，并且所述接收线圈用以感测该合成涡流。

除了实现两个线圈的合成涡流以外，本发明的另一重要方 面是该合成涡流与接收线圈正交。

在一个接一个的时间间隔内，各线圈按预定切换序列和预 定切换频率轮流作为驱动线圈之一或作为接收线圈。

本发明的多向性涡流探测器的优势很明显，即能够以充分 的灵敏度检验测试表面上任意裂纹方位处的裂纹并且在所有方 向上的噪声消除令人满意。

附图说明

图1是根据本发明的多向性EC探测器的示意图，其示出绕 六边形芯卷绕的多个线圈。

图2是示出彼此存在30度相移的两个组合驱动器的最终磁 场的形成的示意图。

图3是示出针对作为例子的通道1的六边形探测器的功能性 的图。

图4a和4b是示出针对通道2和3的六边形探测器的功能性的 图。

图5是示出六边形探测器的所有通道的最佳灵敏度轴的图。

图6是利用六边形探测器针对不同的裂纹方位所获得的各 通道的信号的例示。

图7是利用六边形探测器针对不同的裂纹方位所获得的3个 通道的合并信号的例示。

图8是六边形探测器针对0～360度所有方位的整体灵敏度 响应。

图9a和9b示出采用阵列结构的六边形探测器的可选实施 例。

图10示出具有卷绕在十边形块上的5个线圈的另一可选实 施例。

图11示出包括根据本发明的探测器的涡流系统。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例是如图1所示的多向性探测器。参 考图1，多向性探测器1(这里还称为“六边形探测器”)包括一个 六边形芯20。三个线圈10、11和12各自绕六边形芯20卷绕，从 而包围六边形芯20的相对边。结果，各线圈10、11或12彼此的 方位为+/-60度。探测器1被设计成检验测试对象(未示出)的测试 表面2。

共同参考图1和2，为了使附图清晰，在图2中，线圈10由其 主轴10来表示并且线圈11由其主轴11来表示。当向线圈10施加 交流电流时，在驱动器10周围产生交流磁场150。同样，当向驱 动线圈11施加交流电流时，在驱动器11周围产生交流磁场151。 由于向两个驱动器10和11提供相同方向的交流电流，因此所产 生的两个磁场沿着相同的方向流通，并然后生成合成磁场160。 该合成磁场等同于由沿轴30取向的驱动器所产生的磁场。因此， 可以组合两个驱动器10和11，并产生沿轴30取向的等效驱动器。

这里所述的六边形探测器1的操作呈现了本发明的重要方 面。使六边形探测器1工作的基本要素是按分别处于三个时间间 隔T1、T2和T3之一的时刻的三个单独步骤来电接合探测器1， 从而产生三个不同的扫描通道即通道1、通道2和通道3。在各时 间间隔，三个线圈10、11和12中的两个线圈用作发射器，并且 第三个线圈用作接收器。在各时间跨度即T1、T2或T3，轮换被 选择作为发射器的两个线圈和被选择作为接收器的一个线圈。 由于这三个线圈中的各线圈相对于其它两个线圈偏移了60度， 因此对于由此产生的三个通道中的各通道，各通道的灵敏方向 轮换。由此产生的三个通道的综合效果是使得可以使用同一探 测器通过一遍扫描来进行覆盖0～360度方位的任何裂纹的检 验。

应当注意，由于各线圈需要根据激活的通道而作为发射器 或接收器，因此不能同时使用这三个通道。因此，必须在不同 的时刻单独激活这些通道。利用能够按时间跨度T1、T2或T3 切换结构的多路复用器来适当管理驱动器和接收器的同步激 活。适合于这种任务的多路复用器在本领域内已经普遍使用， 并且这里不进行详细说明。此外，可参见图11中包括探测器1 和多路复用器1114的涡流系统。

更具体地，参考图3，在T 1的时刻，分别沿着方向22和23 向线圈10和11施加交流电流。线圈10和11的合成发射器或等效 发射器是沿轴30取向并被通电的发射线圈。线圈12用作沿轴31 取向的接收器。因此，T1时的六边形线圈结构等同于背景技术 中的发送-接收式正交探测器，其中，发射器沿轴30取向并且接 收器沿轴31取向。这种探测器结构对于裂缝方位为分别从驱动 器轴30和接收器轴31测量出的+/-45度的任何裂缝最灵敏。更具 体地，在由图3中轴0来定义0度位置的任意基准平面内，具有这 种感应模式的六边形探测器1的灵敏方向为如灵敏方位40所示 的+45度和-135度以及如方位41所示的-45度和+135度。EC响应 灵敏度在方位40和41上达到最大。EC响应灵敏度在相对于方位 40和41的±45度处或者沿轴30和31的位置处降至大致为零。

现在参考图4a，在T2的时刻，线圈的角色轮换，以使得线 圈10变为沿轴33取向的接收器，并且线圈11和12同时作为发射 器。与图3所示T 1时的操作序列相同，线圈12和11的合成发射 器或等效发射器是沿轴32取向并被通电的发射线圈。在由轴0 来定义0度位置的任意基准平面内，六边形探测器1在T2时的灵 敏方向为如灵敏方位43所示的+15度和-165度以及如方位42所 示的-75度和+105度。即，在T2的时刻，探测器1对于检测裂缝 方位接近方位42和43的裂缝最灵敏。探测器1对于检测裂缝方位 接近或者对准轴32和33的裂缝最不灵敏。

参考图4b，在T3的时刻，线圈的角色轮换，以使得线圈11 变为沿轴35取向的接收器。线圈10和12同时作为发射器，从而 得到与沿轴34取向的发射器等效的发射器。这种探测器结构对 于裂缝方位为相对于发射器轴34或接收器轴35的+/-45度的任 何裂缝最灵敏。在由轴0来定义0度位置的任意基准平面内，具 有这种结构的六边形探测器1的灵敏方向为如轴44所示的+75 度和-105度以及如轴45所示的-15度和+165度。即，在T3的时刻， 探测器1对于检测裂缝方位接近方位44和45的裂缝最灵敏。探测 器1对于检测裂缝方位接近或对准轴34和35的裂缝最不灵敏。

现在参考图5，其示出所有这三个通道的合并灵敏度图。可 以看出，探测器1提供0～360度的灵敏方向，其中在各相邻的灵 敏方向之间的相移为30度。

从图5可以看出，由于线圈10、11和12大致相同，因此六边 形探测器1等效于以60度的偏移角彼此交错配置的三个相同的 正交EC探测器的组合。由于所有通道的最大灵敏度大致相同， 因此可以利用相同的信号幅值来检测与任何通道的灵敏方向对 准的给定裂纹。因此，利用这些灵敏通道之一，检测测试表面 上方位为或接近角度+/-15度、+/-45度、+/-75度、+/-105度、 +/-135度和+/-165度并且几乎遍及整个360度范围的裂纹将具有 足够的灵敏度。

检测方位在两个最大灵敏度方向之间的裂纹的灵敏度相对 较低。对于给定裂纹，裂纹方位与最大灵敏度方向相差越多， 所获得的信号幅值越小。例如，方位为+45度的1mm深的裂纹 可能产生比方位为+30度的1mm深的裂纹高约2dB的信号水平。 然而，由于与现有技术的正交探测器相比、本发明的探测器提 供了更多的灵敏方向，因此整体的灵敏度变化被最小化。

另外，将接收到最大幅值响应的裂纹方位判断为相当于检 验通道的方位。因此，根据本发明的探测器不仅可以以恒定的 灵敏度检测(在深度和长度方面)相似的裂纹，还可以确定裂纹 的方位。

参考图6，如下说明对具有方位为-15度至+105度的多个裂 纹(100、101、...107)的测试对象500进行检验的示例。继续使 用示例通道1、通道2和通道3来表示当如图3、4a和4b所示轮流 接合三个线圈时的三对检验灵敏区域。

多向性探测器1检测到方位为-15度的裂纹100。示出了所有 的通道1、2和3对裂纹100的检测。然而，由于该裂纹与通道3 的灵敏轴完全对准，因此从通道3接收到最大信号幅值200。线 401表示六边形探测器1检测到的最大幅值。

裂纹的最小响应幅值是根据检验的特定要求而预先确定 的。例如，响应幅值位于最大401和最小400之间被认为表示存 在裂纹。裂纹的最小幅值被定义为适用于“最差的情况”。即， 最小幅值被定义为对于探测器呈现最差灵敏度的方位从最小容 许裂缝大小和深度所接收到的响应幅值。

对于方位分别为+15度、+45度、+75度并且由通道2、1、3 分别检测到的裂纹102、104和106，获得了类似的结果。这些裂 纹的检测幅值达到六边形探测器1的最大幅值401。

继续参考图6，三个通道中的仅两个通道检测到方位为0度 的裂纹101，并且从这两个通道检测到信号幅值201。这是因为， 裂纹方位恰好位于通道2和3的灵敏轴之间。检测幅值达到预定 的可接受最小幅值400。

对于方位分别为+30度、+60度、+90度并且由通道1和2、 通道1和3、通道2和3分别检测到的裂纹103、105、107，获得了 类似的结果。这些裂纹的检测幅值达到六边形探测器1的最小幅 值400，从而提供了报告103、105和107为裂纹的基础。

转而参考图7，对来自六边形探测器1的三个通道各自的最 大幅值进行合成。这些幅值读数的集合呈现检测到方位为-15 度和+90度之间的8个裂纹。在该示例性检验中，六边形探测器 1以位于最大401和最小400之间的幅值读数检测到除方位以外 的规格(深度、宽度、长度)均相同的所有裂纹100、101、102、 103、104、105、106、107。

最大信号水平和最小信号水平可以根据裂纹深度和裂纹方 位而变化。裂纹越深，在一个特定裂纹方位上检测到的最大信 号越高。可以理解，角度为0度、+30度或+60度的较深的裂纹 的幅值可能与角度为+15度、+45度或+75度的较浅的裂纹的幅 值具有相同的幅值读数。

现在参考图8，该图详细示出来自六边形探测器1的所有三 个线圈的合成灵敏度响应。由曲线701来表示通道1的灵敏度， 其在+45度时达到最大，并且在0度和+90度时达到最小。由曲 线702来表示通道2的灵敏度，其在+75度时达到最大，并且在 +30度和+135度时达到最小。由曲线703来表示通道3的灵敏度， 其在+15度和+105度时达到最大，并且在+60度时达到最小。由 曲线700来表示这三个通道各自的最大的合值，其中在+15度、 +45度、+75度处为最大，并且最小被定义为各个通道之间的位 于+30度、+60度、+90度处的接点。六边形探测器的灵敏度曲 线700的最小幅值和最大幅值在最大检测幅值401和最小检测幅 值400之间。

接着，将结合图9a、9b和10来说明一些可选实施例。应当 注意，对这些可选实施例的说明应当被解释为优选实施例的补 充。集中说明这些可选实施例相对于主实施例(优选实施例)的 变化，而并不说明这些可选实施例的全部。

参考图9a，示出以阵列结构组装六边形探测器的可选实施 例。应当理解，根据本发明的六边形探测器容易进行这种组合， 以使得可以以较高的生产率来实现较宽的扫描范围。从图9a可 看出，为了测试对象500的最佳检验覆盖率，可以交错布置六边 形探测器1a～1f或更多的六边形探测器。阵列式探测器的设计极 大依赖于获取单元(未示出)所提供的通道的数量的限制。

应当注意，在大多情况下，预料到潜在缺陷会出现在一些 最可能的方位。因此，参考图9b，可以优化根据本发明的六边 形探测器的方位以检测一些预料到的裂纹。例如，可以利用如 图9b所示以+15度旋转的多向性探测器的阵列来扫描由于制造 工艺的具体步骤所产生的已知具有30度的裂纹111的组件。这 样，六边形探测器的灵敏方向更好地与测试对象500上出现频率 最高的裂纹对准。

本发明的范围可以扩展至很多种多边形棱柱，允许组合驱 动器并产生垂直于接收器轴的一个等效驱动器。

例如，多向性探测器可以扩展至采用具有10个边(十边形) 的形状，从而增加了该探测器的灵敏方向的数量。参考图10， 十边形探测器包括5个线圈1001、1002、1003、1004和1005。对 于本实施例，可以使用使合成驱动器轴与接收器轴正交的任何 线圈分组结构。例如，参考图10，对于检验设置，可以使用以 下三种线圈分组结构之一。1)当线圈1003用作接收器时，线圈 1001和1005用作驱动器。在后续的感应感测序列中，使用相应 的配置来形成轮换线圈的角色的方式。2)当线圈1003用作接收 器时，线圈1002和1004用作驱动器。在后续的感应感测序列中， 使用相应的配置来形成轮换线圈的角色的方式。3)当线圈1003 用作接收器时，线圈1001、1002和1004、1005用作驱动器。同 样，在后续的感应感测序列中，使用相应的配置来形成轮换线 圈的角色的方式。可以理解，以上三种结构具有相同的属性， 即提供轴垂直于接收器轴的合成驱动器EC场。因此，该可选实 施例中的探测器提供了以最小的信噪比检验所有方位的裂纹的 能力。

应当注意，可以通过本发明所公开的探测器1来使用现有的 诸如图11所示的系统800等的涡流系统。如图11所示，优选地， 系统800包括多路复用器1114、数据获取和分析单元1112和显示 /接口单元1110。

尽管已经针对本发明的特定典型实施例说明了本发明，但 对于本领域技术人员而言，许多其它的变形例和修改例以及其 它用途将显而易见。因此，优选地，本发明并不局限于该特定 公开。

可以将根据优选实施例的六边形探测器制成3对二维(2D) 涡流线圈，从而产生相同的涡流响应和检验结果。美国申请 12/832,620详细说明了转换成这种2D结构的方法，在此通过引 用包含其全部内容。